應(yīng)用于WiMAX的低噪聲高線性度MMIC放大器

引言

Avago MGA-71543是一款內(nèi)置旁路開(kāi)關(guān),SOT-343封裝的GaAs MMIC低噪聲放大器。器件工作在旁路模式時(shí)，其消耗電流為零，并保持輸入輸出近似相等。所以從放大器模式變成旁路模式時(shí)，使用同一匹配網(wǎng)絡(luò),電路不匹配達(dá)到最小。在放大器用于雙工器、濾波器時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。

本文介紹了采用Avago Technologies MGA-71543應(yīng)用于WiMax 3.5GHz 的單級(jí)反饋場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器的設(shè)計(jì)。這個(gè)LNA可以用在移動(dòng)接收機(jī)的前端，以低噪聲放大信號(hào)。接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨接收機(jī)距基站的距離而變化，在接收機(jī)距基站非常遠(yuǎn)時(shí)，LNA為較弱的接收信號(hào)提供了低噪聲信號(hào)放大功能；在接收信號(hào)較強(qiáng)(距基站很近)時(shí)，這個(gè)LNA中內(nèi)置旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷,可以衰減信號(hào)，以避免接收機(jī)后端過(guò)載。這個(gè)旁路開(kāi)關(guān)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在位于旁路模式時(shí)，電路功耗很低，這對(duì)延長(zhǎng)移動(dòng)接收機(jī)的電池時(shí)間至關(guān)重要。

圖1 在低噪聲優(yōu)化中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)S11的影響

偏置
這種低噪聲放大器設(shè)計(jì)要求+3V DC的電壓和10 - 11mA的電流。這一設(shè)計(jì)中使用源電阻器偏置方法，因?yàn)樗灰笠粋€(gè)有效電源。LNA的電流取決于在針腳4上偏置電流使用的電阻器的值。在這一設(shè)計(jì)中，我們一直選擇51歐姆0402電阻器，以把電流設(shè)置成大約10 - 11 mA。針腳3(RF 輸入)使用并聯(lián)電感器實(shí)現(xiàn)DC接地，而針腳1和針腳4則使用電容器實(shí)現(xiàn)RF 旁路，電容器擁有適當(dāng)?shù)闹?，保持設(shè)備穩(wěn)定。在針腳2(RF輸出)上應(yīng)用3V的供電電壓，偏置電線路進(jìn)行RF 旁路。10歐姆電阻器放在偏置線上，以改善電路板的輸出穩(wěn)定性。(參見(jiàn)圖2)

圖2為MGA-71543在3.5 GHz 的LNA示意圖

輸入匹配

在3.5 GHz時(shí)，微帶長(zhǎng)度相對(duì)于相位變化的效應(yīng)非常大，應(yīng)考慮這種效應(yīng)。因此，演示電路板上的元件位置非常重要，可以使用微帶線參與電路匹配。圖1說(shuō)明了3.5GHz時(shí)MGA-71543的最優(yōu)噪聲匹配(_opt)以及輸入匹配單元對(duì)S11的影響。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最佳噪聲設(shè)計(jì)，并聯(lián)電感、串聯(lián)微帶線和一段并聯(lián)終端開(kāi)路構(gòu)成了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其中50歐姆開(kāi)路線將開(kāi)路轉(zhuǎn)換為所需阻抗實(shí)現(xiàn)接近_opt的阻抗。使并聯(lián)電感器更接近針腳3 (即在第一個(gè)通孔上)，將改善輸入回波損耗和增益。如果把針腳3與并聯(lián)電感器的距離調(diào)節(jié)得更遠(yuǎn)一些(在第一個(gè)通孔和第二個(gè)通孔之間)，這可以稍稍改善3.5 GHz時(shí)的噪聲系數(shù)(元件布局參見(jiàn)圖4)。開(kāi)路短線有助于把輸入端口與_opt調(diào)節(jié)得更近，進(jìn)一步改善噪聲系數(shù)。

輸出匹配

輸出匹配電路由并聯(lián)電容后接串聯(lián)電感器組成。元件值使用ADS軟件和板上調(diào)試結(jié)果確定。并聯(lián)電容器距串聯(lián)電感器的距離為70 mils (參見(jiàn)圖3)。沿著微帶線移動(dòng)并聯(lián)電容器可以改善輸入或輸出回波損耗。進(jìn)一步加大并聯(lián)電容器與MGA-71的距離，將改善輸入回波損耗。

圖3  使用MGA-71543的3.5 GHz LNA示意圖 (無(wú)條件穩(wěn)定)

示意圖和元件布局

圖2為MGA-71543在3.5 GHz 的LNA示意圖。電路采用10 mil厚的RO4350B材料制成，這種材料的介電常數(shù)低(εr = 3.48)，在高頻時(shí)提供了更好的性能。10 mil厚的RO4350B層壓在FR4材料頂層，實(shí)現(xiàn)希望的機(jī)械強(qiáng)度。

旁路電容器的值及距源極引腳的距離將影響LNA的輸入回波損耗、增益和穩(wěn)定性。在工作頻率上實(shí)現(xiàn)低阻抗的旁路電容器實(shí)現(xiàn)了更高的增益，但穩(wěn)定性變差。建議該電容器上采用0402規(guī)格。C4、C5和R3應(yīng)盡可能接近源極引腳,并使用寄生效應(yīng)較少、尺寸較小的電容器有助于改善電路的穩(wěn)定性。如圖17所示。

電路板級(jí)RF性能和旁路模式

LNA在3.5 GHz時(shí)擁有>8 dBm的IIP3和12 dB的增益。通過(guò)去掉源偏置電阻器 (R3)，可以把LNA設(shè)置成旁路模式。在旁路模式下，插入損耗 (信號(hào)衰減)約為6 dB。

穩(wěn)定性

為實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)條件穩(wěn)定，在LNA的輸出上放置了一個(gè)8.2歐姆阻尼電阻器。修改后的示意圖如圖3所示。兩個(gè)100pF 旁路電容器放在每條源導(dǎo)線上，改善了穩(wěn)定性。

級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

內(nèi)置旁路開(kāi)關(guān)的LNA減少了外部電路的復(fù)雜度，降低了制造成本，縮小了電路板空間。此外，把帶有旁路開(kāi)關(guān)的兩個(gè)LNA級(jí)聯(lián)起來(lái)，可以控制接收機(jī)的增益狀態(tài)。如下圖所示，把兩個(gè)MGA-71543級(jí)聯(lián)起來(lái)，將把放大器轉(zhuǎn)換成3種不同的模式，即高增益模式、中等增益模式和旁路模式。

圖4    演示電路板上的元件位置

圖5  演示電路板上的元件位置(無(wú)條件穩(wěn)定)

在把第一階段放大器和第二階段放大器都設(shè)置成放大器模式時(shí)，這種組合的放大器將實(shí)現(xiàn)高增益和低噪聲。如圖3所示，把兩個(gè)無(wú)條件穩(wěn)定LNA級(jí)聯(lián)起來(lái)，而不需重新級(jí)間匹配電路，將得到3.5GHz時(shí)>21dB 增益和大約1.2 dB噪聲系數(shù)的放大器。輸入和輸出回波損耗超過(guò)10dB，工作電流約為21 mA。

在進(jìn)入信號(hào)較強(qiáng)而不需要高增益時(shí)，可以把第二階段放大器設(shè)置成旁路模式。這有助于保持交調(diào)性能，降低功耗，在這種模式下，吸收的總電流約為10 mA。對(duì)較強(qiáng)的接收信號(hào)，把LNA的兩個(gè)階段都置于旁路模式可以衰減信號(hào)，避免以后階段發(fā)生過(guò)載。